Foundation Fieldbus é um sistema de comunicação digital utilizado na automação, juntamente com outros como Profibus, Modbus ou HART. A tecnologia surgiu um pouco depois de seus concorrentes: a primeira edição do padrão foi datada de 1996 e atualmente inclui dois protocolos de troca de informações entre os participantes da rede – H1 e HSE (High Speed Ethernet).
O protocolo H1 é utilizado para troca de informações no nível de sensores e controladores, e sua rede é baseada no padrão de nível físico IEC 61158-2, permitindo uma taxa de transmissão de dados de 31,25 kbit/s. Ao mesmo tempo, a alimentação dos dispositivos de campo pode ser organizada a partir do barramento de dados. A rede HSE é baseada em redes Ethernet de alta velocidade (100/1000 Mbit/s) e é usada na construção de redes de automação de processos no nível de controladores e sistemas de gerenciamento empresarial.
A tecnologia é aplicável na construção de sistemas de automação de processos de qualquer tipo de instalação industrial, mas encontrou maior adoção em empresas do setor petroquímico e da indústria química.
Possibilidades da tecnologia
Foundation Fieldbus foi desenvolvido como uma alternativa ao modelo tradicional de sistemas de controle automatizados baseado em sensores analógicos e apresenta uma série de vantagens tanto em relação ao modelo tradicional quanto em relação a sistemas digitais baseados em Profibus ou HART.
Uma das principais vantagens é o alto nível de confiabilidade e tolerância a falhas dos sistemas H1, o que é alcançado por meio de dois fatores:
- uso de dispositivos inteligentes no nível de campo (sensores e atuadores);
- capacidade de organizar a troca de informações diretamente entre os dispositivos de campo, sem a participação do controlador.
A inteligência dos dispositivos de campo reside na possibilidade de implementar algoritmos de controle e processamento de informações, que tradicionalmente são realizados no controlador. Na prática, isso permite que o sistema continue a funcionar mesmo quando o controlador falha. Para isso, é necessário que os dispositivos de campo sejam configurados adequadamente e que um sistema de alimentação elétrica confiável para o barramento de campo seja garantido.
As vantagens adicionais derivadas da digitalização do sistema de gerenciamento e do uso de sensores inteligentes incluem a capacidade de obter uma maior quantidade de dados, além da medição, de cada dispositivo de campo, o que, em última análise, amplia a área de monitoramento do processo, que em sistemas analógicos tradicionais é limitada pelo sistema de entrada e saída de sinais.
O uso da topologia em barramento na rede H1 permite reduzir o comprimento das linhas de cabo, o volume de trabalho de instalação, eliminar a necessidade de equipamento adicional em sistemas de controle: módulos de entrada e saída, fontes de alimentação e, em zonas explosivas, barreiras de proteção contra faíscas.
O H1 permite o uso de cabos de comunicação de sensores de 4-20 mA, o que pode ser utilizado na modernização de sistemas de controle antigos. Graças aos princípios de segurança contra faíscas, a tecnologia é ativamente aplicada em ambientes explosivos. A padronização garante a intercambiabilidade e a compatibilidade de equipamentos de diferentes fabricantes, e através de dispositivos de gateway é possível conectar a rede de dispositivos de campo à rede de Controle e Automação (ACSP) das empresas construída sobre Ethernet.
A maior semelhança do Foundation Fieldbus H1 é com os sistemas Profibus PA. Ambas as tecnologias são baseadas no mesmo padrão de nível físico, portanto, essas sistemas têm as mesmas velocidades de transmissão de dados, utilizam codificação de Manchester, compartilham parâmetros elétricos da linha de comunicação, possuem a mesma quantidade de potência transmitida permitida e a distância máxima do cabo no segmento da rede (1900 m). Além disso, em ambos os sistemas é possível utilizar até 4 repetidores, permitindo que o comprimento do segmento alcance até 9,5 km. Compartilham também as possíveis topologias de rede no sistema de controle, bem como os princípios de garantia de segurança contra faíscas.
Componentes do sistema
Os principais elementos da rede Foundation Fieldbus H1 são:
- controlador de sistema de controle descentralizado (DCS);
- fontes de alimentação do barramento de campo;
- dispositivos de acoplamento em bloco ou modular;
- terminadores de barramento;
- dispositivos de campo inteligentes.
Além disso, o sistema pode incluir dispositivos de gateway (Linking Device), conversores de protocolo, dispositivos de proteção contra surtos (DPS) e repetidores.
Topologia de rede
Um conceito importante na rede H1 é o conceito de segmento. Ele representa uma linha de comunicação principal (Trunk), com ramificações (Spur) conectadas a ele, onde dispositivos de campo estão conectados. O cabo principal começa na fonte de energia do barramento e geralmente termina no último dispositivo de conexão. Para a comunicação entre o controlador e os dispositivos de campo, são permitidos quatro tipos de topologias: ponto a ponto, barra, ônibus e árvore. Cada segmento pode ser construído utilizando uma topologia isolada ou uma combinação delas.
Ao usar a topologia ponto a ponto, cada dispositivo de campo é conectado diretamente ao controlador. Nessa configuração, cada dispositivo conectado forma seu próprio segmento de rede. Essa topologia se mostra inconveniente, pois retira da sistema quase todas as vantagens do Foundation Fieldbus. O controlador utiliza muitos interfaces e, para alimentar os dispositivos de campo a partir do barramento de dados, deve haver uma fonte de energia para o barramento de campo em cada linha de comunicação. O comprimento das linhas de comunicação se torna muito longo, e a troca de informações entre dispositivos ocorre apenas através do controlador, o que impede o uso do princípio de alta tolerância a falhas dos sistemas H1.
A topologia em cadeia implica na conexão sequencial de dispositivos de campo entre si. Aqui, todos os dispositivos de campo estão unidos em um único segmento, o que permite utilizar menos recursos. No entanto, essa topologia também tem desvantagens – a principal delas é a necessidade de prever métodos que garantam que a falha de um dos sensores intermediários não interrompa a comunicação com os demais. Outra desvantagem está relacionada à falta de proteção contra curtos-circuitos na linha de comunicação, onde a troca de informações no segmento se tornaria impossível.
As topologías de rede mais confiáveis e práticas são a topologia em barramento e a topologia em árvore, que são as que mais se espalharam na prática ao construir redes H1. O sentido dessas topologias reside na utilização de dispositivos de conexão para conectar dispositivos de campo à linha de comunicação principal. Dispositivos de conexão permitem que cada dispositivo de campo seja conectado à sua própria interface.
Parâmetros da Rede
Questões importantes ao construir uma rede H1 são seus parâmetros físicos – quantos dispositivos de campo podem ser utilizados em um segmento, qual é o comprimento máximo que um segmento pode ter, e qual o comprimento das ramificações. A resposta a essas perguntas depende do tipo de alimentação e do consumo de energia dos dispositivos de campo, e para locais explosivos – dos métodos de garantia de segurança contra explosões.
O número máximo de dispositivos de campo em um segmento (32) só pode ser alcançado se forem alimentados por fontes locais no local e na ausência de meios de segurança contra explosões. Quando os sensores e atuadores são alimentados pela barragem de dados, o número máximo de dispositivos pode ser apenas 12 ou menos, dependendo dos métodos de segurança contra explosões.
Dependência do número de dispositivos de campo em relação ao método de alimentação e aos métodos de segurança contra explosões.
O comprimento do segmento da rede é determinado pelo tipo de cabo utilizado. O comprimento máximo de 1900 m é alcançado com o cabo tipo A (par trançado com blindagem). Com o cabo tipo D (cabo multissegmentado não trançado com blindagem comum) – apenas 200 m. O comprimento do segmento é entendido como a soma dos comprimentos do cabo principal e todas as ramificações dele.
Dependência do comprimento do segmento em relação ao tipo de cabo.
O comprimento das ramificações depende do número de dispositivos no segmento da rede. Portanto, com até 12 dispositivos – o máximo é de 120 m. Com 32 dispositivos no segmento, o comprimento máximo das ramificações será de apenas 1 m. Ao conectar os dispositivos de campo em série, cada dispositivo adicional reduz o comprimento da ramificação em 30 m.
Dependência do comprimento das ramificações do cabo principal em relação ao número de dispositivos de campo no segmento.
Todos esses fatores afetam diretamente a estrutura e a topologia do sistema. Para acelerar o processo de design da rede, são usados softwares especializados, como o DesignMate da FieldComm Group ou o Fieldbus Network Planner da Phoenix Contact. Os programas permitem calcular os parâmetros físicos e elétricos da rede H1, levando em consideração todas as possíveis limitações.
Finalidade dos componentes do sistema
Controlador
A tarefa do controlador é implementar funções do Planejador Ativo de Comunicações (LAS) – o dispositivo principal que gerencia a rede por meio do envio de mensagens de controle. O LAS inicia a troca de informações entre os participantes da rede através de mensagens programadas (de acordo com um cronograma) ou não programadas, realiza diagnósticos e sincroniza todos os dispositivos.
Além disso, o controlador é responsável pela endereçamento automático dos dispositivos de campo, atuando como dispositivo de gateway, fornecendo uma interface Ethernet para comunicação com o nível superior do sistema de controle baseado no Foundation Fieldbus HSE ou em outro protocolo de comunicação. Para o nível superior do sistema, o controlador oferece funções de monitoramento e controle do operador, assim como funções de configuração remota dos dispositivos de campo.
Na rede, pode haver vários Planejadores Ativos de Comunicações, garantindo redundância das funções incorporadas neles. Nos sistemas modernos, as funções de LAS podem ser implementadas em um dispositivo de gateway que atua como conversor de protocolos para sistemas de controle construídos em um padrão diferente do Foundation Fieldbus HSE.
Fontes de alimentação do barramento de campo
O sistema de alimentação na rede H1 desempenha um papel crucial, pois para a própria possibilidade de troca de informações no cabo de transmissão de dados, deve ser mantida uma tensão na faixa de 9 a 32 V em corrente contínua. Independentemente de os dispositivos de campo serem alimentados pelo barramento de transmissão de dados ou por fontes de alimentação localizadas, a rede requer fontes de alimentação do barramento.
Portanto, sua principal função é manter os parâmetros elétricos necessários no barramento, além de alimentar os dispositivos conectados à rede. Diferentemente das fontes de alimentação convencionais, as fontes de alimentação do barramento se distinguem por terem uma impedância de saída correspondente em frequências de transmissão de dados. Se forem utilizadas fontes de alimentação de 12 ou 24 V diretamente na rede H1, o sinal será perdido, e a troca de informações no barramento será impossível.
Fontes de alimentação reservadas do barramento de campo FB-PS (conjunto para 4 segmentos).
Considerando a importância de garantir a alimentação confiável do barramento, as fontes de alimentação de cada segmento da rede podem ser reservadas. As fontes de alimentação FB-PS da Phoenix Contact suportam a tecnologia de balanceamento automático de carga de corrente (Auto Current Balancing). O ACB proporciona uma carga simétrica entre as fontes de alimentação, o que tem um impacto positivo em sua temperatura de operação e, em última análise, leva a um aumento de sua vida útil.
O sistema de alimentação da rede H1 geralmente está localizado no armário do controlador.
Dispositivos de interface
Os dispositivos de interface são projetados para conectar um grupo de dispositivos de campo ao barramento de transmissão de dados. Eles são divididos em dois tipos com base nas funções que desempenham: módulos de proteção de segmento (Segment Protectors) e barreiras de campo (Field Barriers).
Independentemente do tipo, os dispositivos de interface protegem a rede contra curtos-circuitos e sobrecargas de corrente nas linhas de saída. Quando um curto-circuito ocorre, o dispositivo de interface bloqueia a porta de interface, impedindo que o curto-circuito se espalhe pelo sistema, garantindo assim a troca de informações entre os demais dispositivos da rede. Após a remoção do curto-circuito na linha, a porta de comunicação que estava bloqueada volta a funcionar.
As barreiras de campo também fornecem isolamento galvânico entre os circuitos não à prova de explosão do barramento e os circuitos à prova de explosão dos dispositivos de campo conectados (ramificações).
Dispositivos de acoplamento físicos também vêm em dois tipos - em configuração de bloco e modular. Dispositivos de acoplamento em bloco tipo FB-12SP com funcionalidade de proteção de segmento permitem o uso de circuitos à prova de explosão IC para conectar dispositivos de campo na Zona 2, e barreiras de campo FB-12SP ISO permitem a conexão de dispositivos nas Zonas 1 e 0 com circuitos à prova de explosão IA.
Dispositivos de acoplamento FB-12SP e FB-6SP da Phoenix Contact.
Uma das vantagens dos dispositivos modulares é a capacidade de escalar o sistema, selecionando o número necessário de canais para a conexão de dispositivos de campo. Além disso, dispositivos modulares permitem a criação de estruturas flexíveis. Em um único painel de distribuição, é possível combinar módulos de proteção de segmento e barreiras de campo, ou seja, conectar a partir de um painel dispositivos de campo localizados em diferentes zonas de risco. Um único barramento pode acomodar até 12 módulos de dois canais FB-2SP ou módulos de um canal de barreiras FB-ISO, conectando assim até 24 dispositivos de campo na Zona 2 ou até 12 sensores nas Zonas 1 ou 0.
Dispositivos de acoplamento podem operar em uma ampla faixa de temperatura e são instalados em invólucros à prova de explosão Ex e, Ex d com grau de proteção contra poeira e umidade de pelo menos IP54, incluindo o mais próximo possível do objeto de controle.
Dispositivos de proteção contra surto de tensão.
Redes de nível de campo N1 podem formar segmentos muito longos, e as linhas de comunicação podem passar em locais onde é possível a formação de surtos de tensão. Surtos de tensão são definidos como diferenças de potencial induzidas, causadas por descargas atmosféricas ou curtos-circuitos em linhas de cabos próximas. A tensão induzida, que pode alcançar vários quilovolts, provoca a passagem de correntes de descarga na ordem de quilamperes. Todos esses fenômenos ocorrem em microssegundos, mas podem levar à falha de componentes da rede N1. Para proteger os equipamentos contra tais fenômenos, é necessário usar dispositivos de proteção contra surto (DPS). A utilização de DPS em vez de blocos de terminais convencionais garante o funcionamento seguro e confiável do sistema em condições adversas.
O princípio de seu funcionamento baseia-se na utilização de um curto-circuito quasi-breve na faixa de nanossegundos para a passagem de correntes de descarga no circuito, no qual são utilizados elementos capazes de suportar correntes dessa magnitude.
Existem muitas variantes de DPS: monocanais, bicanais, com conectores substituíveis, com diferentes tipos de diagnóstico – em forma de blinker, contato seco. Os modernos meios de diagnóstico da Phoenix Contact permitem monitorar DPS utilizando serviços digitais baseados em Ethernet. Na fábrica da empresa na Rússia, são produzidos dispositivos certificados para uso em ambientes explosivos, incluindo sistemas Foundation Fieldbus.
Terminador de barramento
O terminador executa duas funções na rede – shunta a corrente do barramento de campo que ocorre devido à modulação do sinal e evita a reflexão do sinal das extremidades da linha tronco, prevenindo assim o surgimento de ruídos e jitter (flutuação de fase do sinal digital). Dessa forma, o terminador ajuda a evitar a ocorrência de dados imprecisos na rede ou a perda total de dados.
Em cada segmento da rede H1 é imprescindível a presença de dois terminadores, em cada uma das extremidades do segmento. As fontes de alimentação do barramento e os dispositivos de interface da Phoenix Contact vêm equipados com terminadores que podem ser desligados. A presença de terminadores extras na rede, por exemplo, devido a um erro, diminuirá significativamente o nível do sinal na linha de interface.
Troca de informações entre segmentos
A troca de informações entre dispositivos de campo não se limita a um único segmento, mas é possível entre diferentes partes da rede, que podem ser conectadas através de um controlador ou de uma rede empresarial baseada em Ethernet. Nesse caso, pode ser utilizado o protocolo Foundation Fieldbus HSE ou, mais popular, por exemplo, Modbus TCP.
Na construção da rede HSE, são utilizados switches de desempenho industrial. O protocolo permite a redundância em anel. Nesse caso, é importante lembrar que, na topologia em anel, os switches devem usar um dos protocolos de redundância (RSTP, MRP ou Extended Ring Redundancy) dependendo do tamanho e do tempo de convergência da rede exigido em caso de falhas nos canais de comunicação.
A integração de sistemas baseados em HSE com sistemas externos é possível através da tecnologia OPC.
Métodos de segurança contra explosões
Para criar um sistema à prova de explosão, não basta apenas considerar as características de segurança e a escolha do local correto de instalação do equipamento. Dentro do sistema, cada dispositivo não opera de forma independente, mas faz parte de uma rede unificada. Nas redes Foundation Fieldbus H1, a troca de informações entre dispositivos situados em diferentes zonas de risco de explosão envolve não apenas a troca de dados, mas também a transferência de energia elétrica. A quantidade de energia que é aceitável em uma zona pode não ser adequada em outra. Portanto, para avaliar a segurança contra explosões das redes de campo e escolher o método mais apropriado para garantir essa segurança, utiliza-se uma abordagem sistemática. Dentre esses métodos, os que mais se destacam são os métodos de segurança intrínseca.
Atualmente, existem vários métodos para garantir a segurança intrínseca em barramentos de campo: o método tradicional de barreiras de proteção contra faíscas, o conceito FISCO e a tecnologia High Power Trunk (HPT).
O primeiro deles se baseia na utilização de barreiras de proteção contra faíscas e implementa um conceito testado, que foi utilizado em sistemas de controle baseados em sinais analógicos de 4-20 mA. Este método é simples e confiável, mas limita a alimentação dos dispositivos de campo nas zonas de explosão 0 e 1 a 80 mA. Nesse caso, de forma otimista, é possível conectar não mais do que 4 dispositivos de campo em um segmento com consumo de 20 mA, mas na prática não mais do que 2. Nesse cenário, o sistema perde todas as vantagens oferecidas pelo Foundation Fieldbus e, na prática, resulta em uma topologia ponto a ponto, onde para conectar um grande número de dispositivos de campo, o sistema precisa ser dividido em diversos segmentos. Além disso, esse método restringe significativamente o comprimento do cabo principal e das derivações.
O conceito FISCO foi desenvolvido pelo "Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha" e posteriormente incorporado nos padrões IEC e, em seguida, na norma GOST. Para garantir a segurança contra explosões da rede de campo, o conceito implica o uso de componentes que atendem a certas limitações. Essas limitações são formuladas para fontes de alimentação em relação à potência de saída, para dispositivos de campo em relação à potência consumida e indutância, e para cabos em relação à resistência, capacitância e indutância. Essas limitações estão relacionadas ao fato de que elementos capacitivos e indutivos podem acumular energia, que em modo de falha, caso algum elemento do sistema seja danificado, pode ser liberada e causar uma descarga elétrica. Além disso, o conceito proíbe o uso de redundância no sistema de alimentação da linha.
O FISCO fornece uma grande corrente para alimentar dispositivos em áreas perigosas em comparação com o método de barreiras de campo. Aqui, estão disponíveis 115 mA, o que pode ser usado para alimentar de 4 a 5 dispositivos em um segmento. No entanto, também existem limitações na extensão do cabo tronco e das derivações.
A tecnologia de Trunk de Alta Potência atualmente é a tecnologia de segurança contra explosões mais amplamente utilizada em redes Foundation Fieldbus, pois não tem as desvantagens presentes em redes protegidas por barreiras ou construídas segundo o FISCO. Com o uso de HPT, tornou-se possível atingir o valor limite de dispositivos de campo em um segmento da rede.
A tecnologia não limita os parâmetros elétricos da rede onde não há necessidade, por exemplo, na linha tronco de comunicação, onde não é necessário realizar manutenção e substituição de equipamentos. Para conectar dispositivos de campo localizados em áreas perigosas, utilizam-se dispositivos de interface com funcionalidade de barreiras de campo, que limitam os parâmetros elétricos da rede para alimentar sensores e estão localizados diretamente ao lado do objeto de controle. Nesse caso, ao longo de todo o segmento, utiliza-se um tipo de proteção explosiva Ex e (proteção aumentada).
Fonte: habr.com
